管電極精密振動(dòng)電解加工斜方孔實(shí)驗(yàn)研究

褚玉程，張明岐，劉 萌，張志金

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域的零件結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，零件上的孔也由原來(lái)常見(jiàn)的圓形變得形式多樣，如三角形、矩形、菱形孔等特殊形狀的孔在先進(jìn)航空器的格柵類零件上更為常見(jiàn)。除了航空航天，在船舶、兵器、醫(yī)療、電子、汽車、工程機(jī)械等軍民制造領(lǐng)域均有出現(xiàn)不規(guī)則的型孔結(jié)構(gòu)。除了幾何形狀變化，孔的尺寸精度、形位精度、孔口表面質(zhì)量等也面臨了越來(lái)越高的要求。

本文針對(duì)航空零件上的密集陣列的斜菱形方孔展開(kāi)研究，該特殊類型的斜方孔均勻分布在呈一定角度的平面和曲面上，孔口朝向角度多變、孔的陣列方式密集、孔間筋板壁厚較薄，其材料去除比高達(dá)70%以上且所用材料多為高溫合金或鈦合金等難加工材料。

有研究人員[1-4]提出采用脈沖電源代替電解加工中常用的直流電源進(jìn)行管電極加工孔，在脈沖電源輸出的間歇期，可及時(shí)將溶解的陽(yáng)極產(chǎn)物排出，提高了在小間隙條件下加工精度和穩(wěn)定性。埃及學(xué)者[5]曾在低頻振動(dòng)和直流電源條件下利用管電極加工圓形盲孔并對(duì)其加工間隙的流場(chǎng)展開(kāi)過(guò)研究，得出結(jié)論：在電解過(guò)程中加入振動(dòng)的擾動(dòng)，能有效的降低電解過(guò)程中的流場(chǎng)不均勻性的問(wèn)題。針對(duì)圓孔由盲孔加工至通孔的后階段，工件在管電極孔中心形成的型芯發(fā)生移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致短路的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外先后有學(xué)者[6-8]提出采用電解加工過(guò)程中電極平動(dòng)的方式解決中心孔型芯問(wèn)題。

電解加工是一種非接觸式加工，不受被加工材料的強(qiáng)度、硬度、韌性的限制，加工后工件材料的微觀組織基本不發(fā)生變化，因此常用于加工硬質(zhì)合金、高溫合金、淬火鋼、不銹鋼等難切削加工材料以及薄壁、易變形工件。而管電極電解加工技術(shù)可顯著提高被加工型孔的深徑比，具有加工效率高、加工表面質(zhì)量好、工具電極無(wú)損耗和加工材料范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

管電極電解加工型孔優(yōu)勢(shì)明顯，但不足之處也很明顯，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。不足之處主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是孔的加工精度不高，由于陰極與工件之間加工間隙內(nèi)的電力線發(fā)散，在管電極電解加工型孔過(guò)程中存在雜散腐蝕，集中腐蝕能力較差，降低了型孔的加工精度；另一方面是管電極加工斜方孔的加工過(guò)程穩(wěn)定性差，究其原因主要是：型孔由盲孔加工至通孔的后階段，工件在管電極孔中心形成的“型芯”發(fā)生移動(dòng)，陰極與工件間的加工間隙發(fā)生變化，極易導(dǎo)致短路，阻礙加工過(guò)程的順利進(jìn)行，使加工過(guò)程穩(wěn)定性變差，再有斜方孔的角度超大（約 60°），電解液受重力作用在加工流場(chǎng)區(qū)域的分布不均勻，加工區(qū)域陽(yáng)極產(chǎn)物的溶解性不好，也降低管電極加工型孔的穩(wěn)定性。

1 管電極精密振動(dòng)電解加工斜方孔基本原理

管電極精密振動(dòng)電解加工斜方孔是以電化學(xué)陽(yáng)極溶解相關(guān)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合管電極小幅振動(dòng)（陰極）進(jìn)給和脈沖電源技術(shù)相關(guān)規(guī)律，構(gòu)成基于振動(dòng)電解管電極加工型孔的基本原理。電解加工技術(shù)結(jié)合陰極振動(dòng)和高頻脈沖電源技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微小間隙的進(jìn)給，能得到高精度和高表面質(zhì)量的工件。

管電極小幅振動(dòng)進(jìn)給與脈沖電源脈沖頻率的精準(zhǔn)配合，強(qiáng)化了電解加工陽(yáng)極溶解的定域性；管電極的振動(dòng)起到了局部攪動(dòng)電解液、提高加工間隙流場(chǎng)分布均勻性的作用。加工結(jié)果表明：相較于常規(guī)電解加工，管電極精密振動(dòng)電解加工大幅度提高了斜方孔的加工精度和穩(wěn)定性。如圖1所示，S（t）為管電極振動(dòng)振幅與時(shí)間關(guān)系圖，K（t）為脈沖電源與時(shí)間關(guān)系圖。當(dāng)管電極振動(dòng)至最低位置時(shí)，脈沖電源輸出開(kāi)通，管電極加工陽(yáng)極，陽(yáng)極發(fā)生溶解；當(dāng)管電極振動(dòng)至最高位置時(shí)，脈沖電源輸出關(guān)閉，管電極遠(yuǎn)離工件陽(yáng)極。陽(yáng)極溶解產(chǎn)物在電解液的沖刷下，管電極振動(dòng)頻率與脈沖電源精準(zhǔn)配合，減小了電解加工的加工間隙，從而達(dá)到提高了加工方孔的精度的作用。

圖1 管電極精密振動(dòng)電解加工型孔基本原理圖

1.1 管電極加工斜方孔預(yù)防短路控制

如圖2所示，Δf為管電極軸向進(jìn)給的加工間隙；Δs為管電極垂直進(jìn)給側(cè)面間隙，為電解加工型孔精度的決定因素?？梢?jiàn)，管電極加工型孔是以中空的金屬管作為電解加工的陰極、以工件為陽(yáng)極、以中性的鹽溶液作為電解液，其中金屬管的外形可以是圓形、方形或者其他異形形狀。電解液從管電極中孔高速流出，充滿加工間隙；管電極相對(duì)于陽(yáng)極垂直進(jìn)給，陽(yáng)極工件在電場(chǎng)作用下逐漸溶解；陽(yáng)極溶解形成的產(chǎn)物被高速流動(dòng)的電解液沖出加工區(qū)域，最后在工件上形成與管電極外形相似的型孔。在加工過(guò)程中，管電極的中心會(huì)在加工區(qū)形成一個(gè)凸臺(tái)狀的“型芯”。該“型芯”過(guò)大，則會(huì)阻滯電解液的流動(dòng)，同時(shí)會(huì)在孔加工通透的瞬間因“型芯”脫落而導(dǎo)致嚴(yán)重短路。因此，在設(shè)計(jì)加工電極時(shí)，需合理設(shè)計(jì)中間通道的尺寸，同時(shí)在參數(shù)的設(shè)置上也要考慮“型芯”的控制問(wèn)題。

圖2 管電極加工型孔過(guò)程[3]

為了求解方便且不失準(zhǔn)確性，可假設(shè)電解液中的電場(chǎng)為無(wú)源電場(chǎng)、電解液電導(dǎo)率為常數(shù)且各向同性，同時(shí)不計(jì)陰陽(yáng)極表面的過(guò)電位。由于精密振動(dòng)電解加工間隙一般在幾十微米之間，仿真過(guò)程中假設(shè)電力線與邊界垂直，均勻性較好。

由電場(chǎng)理論可知，在封閉區(qū)域Q內(nèi)各點(diǎn)電勢(shì)滿足拉普拉斯方程：

將工具陰極和工件陽(yáng)極視為不同電位的等勢(shì)面，施加邊界條件：

式中：φ1為施加在陰極表面的加工電壓；φ2為施加的工件陽(yáng)極邊界條件。

將加工條件列為不變條件、陰極形狀列為變量，取不銹鋼件為工件、加工電壓U=15 V、電解液電導(dǎo)率90 mS/cm，基于COMSOL Multiphysics軟件平臺(tái)對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行電場(chǎng)分布仿真。

圖3是不同孔徑的管電極加工區(qū)域電場(chǎng)密度?？梢?jiàn)，管電極中間的型孔精度越小，分布在工件陽(yáng)極的電流密度越強(qiáng)，即工件陽(yáng)極的材料溶解體積越來(lái)越多；隨著電解加工進(jìn)行，孔中心的凸臺(tái)不斷溶解，使得管電極加工孔通透時(shí)不會(huì)因?yàn)橥古_(tái)的移動(dòng)而導(dǎo)致最后短路并影響加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

時(shí)間=0 s；表面：電流密度范數(shù)/（A·m-2）；面箭頭：電流密度（材料框架）

圖3 不同孔徑的管電極加工區(qū)域的電場(chǎng)密度（×106）

綜合考慮孔中心臺(tái)影響與電解，確定了管電極加工的內(nèi)腔（圖4）。其中，管電極內(nèi)腔中空，便于電解液的通導(dǎo)；電極的端部，呈現(xiàn)中心大孔、周圍群小孔的分布狀態(tài)。

圖4 管電極內(nèi)腔與端部

1.2 管電極加工斜方孔流場(chǎng)穩(wěn)定性

管電極加工斜方孔的過(guò)程中主要分電極正水預(yù)開(kāi)孔和反水加工型孔兩個(gè)步驟。

圖5a是管電極正水加工預(yù)孔示意圖?？梢?jiàn)，電極裝夾于機(jī)床Z軸且在Z軸的驅(qū)動(dòng)下沿著豎直方向進(jìn)給，并做振幅為0.3 mm的往復(fù)振動(dòng)；電解液從管電極中空內(nèi)腔流入，經(jīng)蜂窩狀電極端面正向流出至電極與工件間的加工間隙；同時(shí)，陰極接電源的負(fù)極，工件接電源的陽(yáng)極。加工時(shí)，工件陽(yáng)極在電場(chǎng)的作用下發(fā)生溶解，隨著電解液的流動(dòng)而流走，電極端面形狀映刻至工件表面。隨著加工過(guò)程的不斷進(jìn)行，電極在Z軸驅(qū)動(dòng)下不斷深入，工件表面形成電極端面的形狀的盲孔，最后加工至通孔。

在加工斜方孔過(guò)程中，電極是豎直裝夾，而工件平板是傾斜安裝在夾具上，工件與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基面之間呈約60°的夾角。電解液在通導(dǎo)至工件表面時(shí)，由于受重力作用，會(huì)沿著工件斜面向下流動(dòng)，導(dǎo)致管電極加工預(yù)孔時(shí)電解液分布不均。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，管電極在Z軸驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)振動(dòng)，驅(qū)使管電極內(nèi)腔電解液做往復(fù)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。管電極振動(dòng)過(guò)程中對(duì)電解液擾動(dòng)，促使電解液在加工間隙中的均勻分布，保證加工過(guò)程的連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

圖5b是管電極反水加工斜方孔示意圖。管電極與工件之間導(dǎo)通脈沖電源。當(dāng)電極振動(dòng)至低點(diǎn)，接近工件表面時(shí)，脈沖電源導(dǎo)通，工件發(fā)生溶解；管電極運(yùn)動(dòng)至高點(diǎn)時(shí)，脈沖電源關(guān)閉，電解液沖走陽(yáng)極溶解物，及時(shí)帶走加工產(chǎn)生的熱量。同時(shí)加工過(guò)程中采用反水收斂流場(chǎng)，提高了型孔的加工精度。

圖5 管電極加工斜方孔示意圖

因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電極見(jiàn)圖6。電極端面與加工表面平行與加工水平面呈一定角度（60°），端面出水口呈多孔的蜂窩狀，以防止在電解打孔的過(guò)程中出現(xiàn)“型芯”；電極中部為中空的管狀，通導(dǎo)電解液。電極的外形，分為預(yù)孔加工區(qū)、側(cè)面成型加工區(qū)和拋光區(qū)。其中，預(yù)孔加工區(qū)主要是在加工工件表面加工出通孔；側(cè)面成型加工區(qū)是沿著矢量方向展開(kāi)的型面，保證加工面沿著電解加工振動(dòng)加工矢量方向，提高型孔的加工精度。

在管電極加工型孔加工過(guò)中，引入電極振動(dòng)，起到了電解液的局部擾動(dòng)、促進(jìn)加工間隙流場(chǎng)的分布均勻、提高加工過(guò)程穩(wěn)定性的作用。采用電解液從管電極中空部位流出、正水方式加工預(yù)孔、反水成型加工型孔的方式，提升了裝夾的對(duì)中度，提高了加工效率。反水振動(dòng)加工型孔，電解液呈收斂流動(dòng)，提高了加工型孔表面質(zhì)量；電解振動(dòng)進(jìn)給與脈沖電源的匹配，提高電解加工的定域性，提高了型孔的加工精度。

圖6 管電極外形設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將以上電極裝夾在機(jī)床的Z軸，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的NaNO3溶液，在電解液溫度為25℃的條件下，對(duì)不銹鋼金屬板施加15 V加工電壓，電極在Z軸驅(qū)動(dòng)下以50 Hz的振動(dòng)頻率運(yùn)動(dòng)；設(shè)定開(kāi)通角為150°～195°，即當(dāng)電極振動(dòng)至 150°時(shí)打開(kāi)脈沖電源、至195°時(shí)關(guān)閉；取脈沖電源的脈寬為0.36 ms、脈間為0.30 ms、脈沖頻率為1515.15 Hz；電極則以頻率50 Hz做周期振動(dòng)，即20 ms為一個(gè)周期；在45°導(dǎo)通角內(nèi)，脈沖電源的導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期的八分之一，2.5 ms內(nèi)可容納4個(gè)脈寬和3個(gè)脈間，得到的加工過(guò)程中電壓與電流的示波器監(jiān)測(cè)圖見(jiàn)圖7、加工實(shí)物見(jiàn)圖8。工件表面粗糙度在Ra0.8 μm以下，型孔的孔口尺寸符合要求。

圖7 加工過(guò)程中的電壓與電流波形

圖8 斜方孔實(shí)物圖

3 結(jié)論

經(jīng)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，在管電極加工斜方孔的過(guò)程中，復(fù)合管電極振動(dòng)進(jìn)給和脈沖電解技術(shù)加工密集斜方孔方法是有效的。

（1）通過(guò)管電極小幅振動(dòng)進(jìn)給與脈沖電解開(kāi)關(guān)匹配，減少電解加工間隙，使分布在加工間隙的電場(chǎng)具有定域性和針對(duì)性，減少了雜散腐蝕，提高了型孔的加工精度。

（2）管電極小幅振動(dòng)進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)，促進(jìn)了加工間隙流場(chǎng)分布的均勻性，提高了型孔加工的穩(wěn)定性。

（3）將加工預(yù)孔的電極與加工型孔的電極集成在一根電極上，同時(shí)運(yùn)用電解加工中的正水加工與反水加工。該集成方案實(shí)施可行，減少了二次裝夾，提高了加工精度。